CC BY
9Научная статья УДК 691.32
ГРНТИ: 67.09: Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2022_4_33
ПОЛЗУЧЕСТЬ КАРБОНАТНЫХ БЕТОНОВ ПРИ РАЗНЫХ УРОВНЯХ НАГРУЖЕНИЯ
© Авторы 2022 SPIN: 5254-3848 AuthorID: 241693 ORCID: 0000-0002-0761-6460 ResearcherID: E-2097-2018 Scopus ID: 57202813346
БЕЛОВ Владимир Владимирович
доктор технических наук, профессор, советник РААСН, заведующий кафедрой производства строительных изделий и конструкций Тверской государственный технический университет (Россия, Тверь, e-mail: [email protected])
SPIN: 9347-7926 AuthorID: 778457 ORCID: 0000-0001-8762-215X ResearcherID: AAI-9449-2021 Scopus ID: 57202815048
КУЛЯЕВ Павел Викторович
кандидат технических наук, доцент кафедры конструкций и сооружений Тверской государственный технический университет (Россия, Тверь)
SPIN: 5449-1019 AuthorID: 269245 ORCID: 0000-0002-0012-1430 ResearcherID: AAI-8485-2021 Scopus ID: 57209300579
БАРКАЯ Темур Рауфович
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой конструкций и сооружений
Тверской государственный технический университет (Россия, Тверь)
Аннотация. В статье представлены результаты исследования мгновенной и кратковременной ползучести мелкозернистого карбонатного бетона (МЗКБ) при различных уровнях напряжений по сравнению с обычными бетонами. В статье показано изменение значений деформации ползучести в зависимости от величины приложенной нагрузки и дней выдержки, а также в зависимости от содержания известнякового наполнителя и суперпластификатора. Также представлено сравнение результатов испытаний базового состава бетона и мелкозернистого карбонатного бетона. Выдвинута и апробирована гипотеза пластического демпфирования процесса микротрещинообразования, способствующего снижению деформаций ползучести. Сравнение результатов испытаний основного и карбонатного мелкозернистых составов показало феномен снижения деформаций ползучести карбонатной смеси в более поздние периоды набора прочности бетона.
Ключевые слова: деформации ползучести, карбонатный микронаполнитель, суперпластификатор, комплексная добавка, уровни напряжений, микротрещинообразование, демпфирование, мезо- и микропоры, строительная отрасль, строительные материалы, бетон
Для цитирования: Белов В.В., Куляев П.В., Баркая Т.Р. Ползучесть карбонатных бетонов при разных уровнях нагружения // Эксперт: теория и практика. 2022. № 4(19). С. 33-37. do¡:10.51608/26867818_2022_4_33.
Технические науки. Строительство и архитектура
Original article
CREEP OF CARBONATE CONCRETES AT VARIOUS LOAD LEVELS
© The Author(s) 2022 BELOV Vladimir Vladimirovich
Doctor of Engineering, Professor, adviser of the Russian academy of architecture and building sciences, Head of Chair of Building Products and Structures Manufacture
Tver State Technical University
(Russia, Tver, e-mail: [email protected])
fl
KULIAEV Pavel Viktorovich
Candidate of technical sciences, associate professor of the Department of the Construction materials and technologies Tver State Technical University (Russia, TverJ
BARKAYA Temur Raufovich
Candidate of technical sciences, chairman of the Construction materials
and technologies Department
Tver State Technical University (Russia, Tver)
Annotation. The article presents the results of a study of instantaneous and short-term creep of fine-grained carbonate concrete (FGCC) at different stress levels compared to conventional concrete. The article shows the change in the values of creep strains depending on the magnitude of the applied load and the days of exposure, as well as depending on the content of limestone filler and superplasticizer. A comparison of the test results of the basic composition of concrete and fine-grained carbonate concrete is also presented. The hypothesis of plastic damping of the microcrack formation process, contributing to the reduction of creep deformations, has been put forward and tested. Comparison of the test results of the basic and carbonate fine-grained compositions showed the phenomenon of reducing creep deformations of the carbonate mixture in later periods of concrete hardening.
Keywords: creep deformations, carbonate micro-filler, superplasticizer, complex additive, stress levels, microcracking, damping, meso- and micropores, construction sphere, construction materials
For citation: Belov V.V., Kuliaev P.V., Barkaya T.R. Creep of carbonate concretes at various load levels // Expert: theory and practice. 2022. № 4 (19). Pp. 33-37. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2022_4_33.
Введение
Все компоненты мелкозернистого карбонатного бетона работают совместно при появлении напряжений, что имеет решающее значение для оценки пластических деформаций в различных структурах материала при разных уровнях напряжений. При этом важно различать условно-мгновенные и кратковременные деформации. Вода в твердеющем цементном камне присутствует в порах, внутренних микро - и мезотрещинах и находится как в свободном, так и в адсорбционно-связанном состоянии. Кроме того, между частицами всех уровней находится водная микропленка в виде гелеобраз-ного вещества, которое является коагулирующей фазой в бетоне. Избыток воды и повышенное водоце-ментное соотношение, по мнению многих авторов [1-3], приводят к увеличению упругих и изменению пластических деформаций, обусловленных выдавливанием свободной воды из пор, деформацией каркаса (твердого скелета), развитием деформаций ползучести под влиянием капиллярного перераспреде-
ления жидкости при сжатии и силовом сдавливании пор, а также перемещением влаги к границе раздела цементного камня с воздухом. Все эти факторы являются решающими при изменении напряжений c учетом факторов ползучести.
При оценке деформационных и прочностных характеристик бетона при различных напряжениях необходимо учитывать степень дисперсности композитных элементов. Таким образом, с увеличением удельной поверхности наполнителя и микродобавок увеличивается количество центров кристаллизации на единицу объема композита и микроструктуры межфазных областей, что приводит к увеличению количества воздушных и капиллярных микропор. Кроме того, в быстротвердеющем монолите на основе цемента на границах центров кристаллизации возникают многочисленные концентраторы внутренних напряжений на микроуровне, что приводит к увеличению микротрещин, что также вызывает увеличение деформаций и значений как кратковременной, так и мгновенной прочности или ползучести материала.
Поэтому задача снижения уровней деформации ползучести бетона и повышения его механических свойств сводится к рассмотрению, по крайней мере, двух парадигм. Во-первых, замедление процесса схватывания цементной пасты (гидратации) во времени происходит за счет более равномерного распределения частиц цемента в объеме композита и замедления доступа свободной воды в фазу, неактивную по отношению к основным процессам гидратации. И, во-вторых, физического вытеснения воды из воздуха и капиллярных микропор и, как следствие, ее частичного переноса в область геля, тем самым делая ползучесть бетона менее изменчивой в зависимости от различных воздействующих факторов, изменения напряжений.
В работе [1] представлены современные исследования бетона с добавками известняка и влияние различных факторов на его ползучесть. Эти свойства представлены коэффициентами и характеристиками ползучести. Влияние состава бетона, процента пластифицирующих и минеральных добавок, освещено в работах [2-3], где также изучено влияние мелкодисперсного наполнителя известняка на реологические и технологические свойства бетона. Как известно, состав минеральной части сырьевой смеси можно оптимизировать двумя способами [3]: путем приближения к эталонной кривой гранулометрического состава путем подбора соотношения отдельных фракций заполнителей, путем смешивания реального сырья в определенном соотношении.
В статье [4] представлены современные исследования бетона с добавками известняка и влияния различных факторов на его ползучесть. Эти свойства также представлены характеристиками ползучести, приведенными в качестве стандартных параметров [5]. Установлено, что на деформации ползучести в значительной степени влияют такие факторы, как водно-твердое соотношение, тонкость вяжущего, влажность, возраст бетона на момент приложения нагрузки и ее величина. Такие параметры, как структура, состав бетона и их влияние на механические свойства композитов исследуется в работах [6-11]. Влияние минералогического состава на свойства легких бетонов, в том числе на основе золы-уноса, такие как водонепроницаемость и долговечность, исследовано в работах [12-13]. Сравнительный минералогический анализ ингредиентов минеральных добавок (геополимеров) приведен в работе [14]. В работе [15] представлено исследование механических характеристик экологичных видов бетонов методом статистического анализа. Изменение физических характеристик при гидратации бетонов на основе комплексных добавок приведено в работе [16].
Методология
Цель данного исследования - изучение изменения значений деформаций ползучести для бетона базового и карбонатного мелкозернистого составов.
При этом апробируется гипотеза пластического демпфирования процесса микротрещинообразова-ния, способствующего снижению деформаций ползучести мелкозернистого карбонатного бетона на поздних этапах твердения.
В ходе исследований, проведенных в Тверском техническом университете под руководством проф., д.т.н. Белова В.В., значения деформаций ползучести при различных уровнях напряжений были определены для конкретных условий испытаний -мгновенные и кратковременные. При этом варьировались следующие факторы: при различных напряжениях (значение нагрузки составляло поэтапно 50, 60, 70, 80 кН), соотношение известняка к цементу составляло 0,5%, отношение суперпластификатора СП-1 к цементу, было принято равным 0,5%. Деформации ползучести рассчитывались путем деления абсолютных приращений деформации ползучести по часовому индикатору на его базу, равную 50 мм.
Таблица 1
Базовый состав мелкозернистого бетона
Компоненты Состав, кг/м3
цемент 660
ПГС 1460
вода 292
СП-1 1.8
Таблица 2
Состав МЗКБ
Компоненты Состав, кг/м3
Цемент 348
Известняковый заполнитель 1490
Вода 298
Известняковый наполнитель 348
СП-1 2,6
Рис. 1. Устройство для испытания на деформацию ползучести с образцом, метрической линейкой, уровнем, динамометром и индикатором часового типа
По результатам экспериментов были установлены следующие характеристики, а именно поведение (в динамике) деформаций ползучести на образ-
Технические науки. Строительство и архитектура
ф
цах с размерами граней 10х10х10 см для базовой и карбонатной мелкозернистых смесей. Заполнителем базового состава бетона была песчано-гравий-ная смесь, а дробленые известняковые породы составляли карбонатный мелкозернистый заполнитель. Все образцы бетона (по 8 для каждого из составов, по 2 на каждую нагрузку) хранились в естественных условиях в течение 28 дней. В следующих таблицах 1 и 2 представлены составы базовой и известняковой мелкозернистой смеси.
Испытательное устройство представлено на
рис. 1.
Результаты
Результаты испытаний приведены в таблице 3 для основной смеси и таблице 4 для карбонатной мелкозернистой бетонной смеси. Полученные данные свидетельствуют о некотором снижении деформаций ползучести карбонатного мелкозернистого бетона (МЗКБ) в поздние периоды твердения (рис. 2).
На рис. 2 видно, что, хотя кратковременные деформации ползучести карбонатных мелкозернистых композиций оказались больше, чем у основного
состава, из-за кратковременного объемного пластического деформирования матрицы, выравнивание микроструктуры композита улучшает характеристики ползучести бетона, стимулирующие деформации на первых стадиях затвердевания, но сдерживая их в более поздние периоды, особенно в долгосрочной перспективе. Это соответствует заявленной гипотезе пластического демпфирования процесса мик-ротрещинообразования. Выравнивание двух кривых может проявляться как на более ранних, так и на более поздних стадиях твердения бетона в зависимости от нагрузки, состава бетона и соотношения компонентов исходной смеси.
Обсуждение
Таким образом, комплексная добавка известнякового наполнителя и суперпластификатора СП-1 играет положительную роль в отношении характеристик ползучести известнякового мелкозернистого бетона в поздние сроки его твердения. Сравнение результатов испытаний основного и карбонатного мелкозернистых составов показывает феномен некоторого снижения деформаций ползучести карбо-
Таблица 3
Измеренные деформации ползучести бетона базового состава в зависимости от приложенной нагрузки и времени ее воздействия
Нагрузка, кН Сутки
1 2 3 4 5 6 7
50 0,00002 0,00006 0,00009 0,00011 0,00015 0,00017 0,00021
60 0,00009 0,00013 0,00018 0,00027 0,00031 0,00039 0,00042
70 0,00026 0,00035 0,00052 0,00066 0,00078 0,00089 0,00093
80 0,00032 0,00039 0,00064 0,00078 0,00086 0,00102 0,00106
Таблица 4
Измеренные деформации ползучести МЗКБ в зависимости от приложенной нагрузки и времени ее воздействия
Нагрузка, кН Сутки
1 2 3 4 5 6 7
50 0,00005 0,00008 0,00012 0,00016 0,00018 0,00018 0,00019
60 0,00013 0,00018 0,00028 0,00034 0,00036 0,00038 0,00040
70 0,00033 0,00040 0,00060 0,00072 0,00084 0,00087 0,00091
80 0,00041 0,00044 0,00072 0,00083 0,00091 0,00100 0,00108
Рис. 2. Кривая деформации ползучести для известнякового композита (жирная кривая) по сравнению с базовым композитом (тонкая) при нагрузке 50 Кн
натного бетона в зрелом возрасте, что согласуется с гипотезой пластического демпфирования процесса микротрещинообразования. В сравнении данными других исследований [1, 4], полученные результаты, свидетельствуют о более быстром угасании ползучести для карбонатного мелкозернистого бетона именно на поздних этапах набора прочности.
Выводы
Несмотря на то, что кратковременная ползучесть карбонатных мелкозернистых композиций оказалась больше, чем деформации основного состава, вследствие объемного пластического деформирования матрицы, выравнивание микроструктуры композита улучшает характеристики ползучести бетона, облегчая деформации на первых стадиях затвердевания, но сдерживая их рост в более поздние периоды, особенно для старых бетонов, но и без существенного снижения технологических свойств смеси.
Установлено, что степень сближения значений деформаций ползучести для обоих составов в основном зависит от длительности действия нагрузки, ее величины, возраста бетона, соотношения воды и твердого вещества, содержания известнякового наполнителя и суперпластификатора, размера заполнителя и тонкости наполнителя. Большее угасание ползучести в позднем возрасте свойственно известняковым мелкозернистым бетонам с плотной структурой. Представляется, что дальнейшие перспективы улучшения характеристик ползучести карбонатных бетонов могут быть ориентированы на получение более плотных структур композитов с использованием современных материалов, таких как новые гиперпластификаторы и развитие методов моделирования наноразмерных областей.
Библиографический список
1. G. De Schutter. Effect of limestone filler as mineral addition in self compacting concrete, Belgium Magnel laboratory of concrete research 36 Conference on Our World in concrete & Structures, Singapore, 14-16, (2011).
2. Белов, В. В. Прочностные и деформативные свойства бетонов с карбонатными микронаполнителями / В. В. Белов, С. Л. Субботин, П. В. ^ляев // Строительные материалы. - 2015. - № 3. - С. 25-29. - EDN TLRUST.
3. Chaid R., Jauberthiel R. et Boukhaled A. Effet de l'ajout calcairesur la durabilite des betons // Lebanese Science Journal. 2010. Vol. 11. No. 1.
4. Pieter Desnerck, Geert De Schutter, Luc Taerwe. Stressstrain behavior of self-compacting concretes containing
limestone fillers//Structural Concrete. 2012. Vol. 13. Issue 2, pp. 95-101.
5. Методические рекомендации по расчету напряженного состояния железобетонных конструкций транспортных сооружений с учетом ползучести и усадки бетона / ВНИИ трансп. стр-ва; [Разраб. Е. Н. Щербаковым, В. Л. Ха-синым]. М.: ЦНИИС, 1987. 61 с.
6. Повышение свойств композиционных строительных материалов введением минеральных микронаполнителей / Г. И. Бердов, Л. В. Ильина, В. Н. Зырянова [и др.] // СтройПрофи. - 2012. - № 2(2). - С. 26-29. - EDN VVTNPK.
7. Сингх М., Сиддик Р. Свойства бетона, содержащего большое количество угольной золы в качестве мелкого заполнителя // Cleaner Production. 2015. Vol. 91. PP. 269-278.
8. Кумар Д., Гупта А., Рам С. Использование золы в качестве замены мелкого заполнителя для изготовления бетона // Международный журнал современной инженерии и технологий. 2014. 4(6). С. 3891-3895.
9. Коу, С.С. Свойства бетона, приготовленного с использованием мелкого щебня, золы на дне печи и мелкого переработанного заполнителя в качестве мелкодисперсных заполнителей / С.С. Коу, С.С. Пун // Construction and Building Materials. 2009. Vol. 23(8). PP. 2877-2886.
10. Коджак, Ю. Влияние использования золы-уноса на прочностные и гидратационные характеристики смешанных цементов / Ю. Кождак, С. Нас // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 73. PP. 25-32.
11. Белов, В. В. Новые принципы определения состава высококачественного бетона / В. В. Белов, М. А. Смирнов // Вестник Тверского государственного технического университета. - 2008. - № 13. - С. 341-346. - EDN TMBBAV.
12. Линда Амель, К., Кадри, Э.Х., Себайби, Ю., Су-алхи, Х. Влияние дюнного песка и пемзы на механические и термические свойства легкого бетона // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 133. PP. 209-218.
13. Zaetang, Y., Wongsa, A., Sata, V., Chindaprasirt, P. Use of coal ash as geopolymer binder and coarse aggregate in pervious concrete // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 96. Pp. 289-295.
14. Ситарз-Пальчак Э., Калембкевич Дж., Галас Д. Сравнительное исследование характеристик геополимеров золы-уноса угля и золы биомассы // Архивы охраны окружающей среды. 2019. 45(1). С. 126-135.
15. Menghuan Guo, Biao Hu, Feng Xing, Xiaoqing Zhou, Meng Sun, Lili Sui, and Yingwu Zhou. Characterization of the mechanical properties of eco-friendly concrete made with untreated sea sand and seawater based on statistical analysis // Construction and Building Materials, 234:117339, 02. 2020.
16. Hoon Moon, Sivakumar Ramanathan, Prannoy Su-raneni, Chang Seon Shon, Chang Joon Lee, and Chul Woo Chung. Revisiting the effect of slag in reducing heat of hydration in concrete in comparison to other supplementary ce-mentitious materials // Materials. 11(10). 2018.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 03.09.2022; одобрена после рецензирования 07.11.2022; принята к публикации 15.11.2022.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 03.09.2022; approved after reviewing 07.11.2022; accepted for publication 15.11.2022.
